Los combustibles. Origen y clasificación

La energía representa una relación entre capital y trabajo. Si un sistema posee energía y podemos variarla, entonces podremos realizar directa o indirectamente un trabajo a su costa. La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.
La energía se nos presenta de muchas formas. Los tipos de energía que existen son:

• Potencial
• Cinética
• Térmica
• Química
• Eléctrica
• Nuclear
• Radiante

Energía Potencial:

Es aquélla que posee un cuerpo en función de su posición

Energía Cinética:

Es la debida al movimiento

Energía Térmica:

Debida a la temperatura producida por la velocidad de las moléculas de un cuerpo. Energía cinética de las moléculas

Energía Química:

Procede de la capacidad de los átomos para generar calor cuando se juntan o separan

Energía Eléctrica:

Procede de la capacidad de generar calor que presentan los electrones en movimiento

Energía Nuclear:

Procede de la eliminación de la totalidad o parte de la masa de las partículas atómica

Energía Radiante:

Se trata de una energía que está en transito en el espacio. Se emite cuando chocan dos electrones al cambiar al cambiar de órbita, o cuando los núcleos atómicos están realizando una fusión o fisión nuclear.
Todas las formas de energía pueden transformarse en otras, y en particular está el calor.
Todal las formas energéticas, excepto la radiante, necesitan la presencia de materia.
Históricamente, una de las primeras formas de energía utilizadas por el hombre fueron el agua (ríos) y el viento. Hoy en día, áun estas dos formas de energía son muy importantes, pero existen otras.
La primera forma de energía térmica utilizada fue el fuego. Se usó en principio la madera. La madera se puede decir que fue el primer combustible utilizado por el hombre. Se le encontraron a esta forma de energía muchas aplicaciones: cocina, forja, alfarería,…
Hoy en día, las energía más utilizadas, son:

• Energía Solar
• E. Eólica
• E. Hidráulica
• Combustible
• Energía Solar

La energía solar produce:
La energía que el Sol transmite a laTierra llega en forma de energía electromagnética, a razón de 420·10⁹ Kw/año
El problema que se nos presenta es transformar directamente la energía solar, debido a problema de apantallamiento (nubes), tiempo de exposición solar, etc
Existen además otras fuentes de energía que tienen origen diferente al del Sol:

• Energía Geotérmica: Es debida al calor que irradia el núcleo terrestre
• Energía Maremotriz: Se origina aprovechando el movimiento del mar por la diferencia de altura entre la pleamar y la bajamar
• Energía de las Olas: Es la que utiliza la fuerza de avance de las olas del mar
• Energía Nuclear: Es la que se libera en un reacción nuclear (fusión o fisión) o en una desintegración nuclear
• Energía química: La que se produce en una reacción química

Estas energía representan una mínima parte de las que usa el hombre, aunque poseen un gran potencial en general

Energía úti

Es aquella forma de energía que va a proporcionar un mayor rendimiento para el uso al cual la destinamos
Las fuentes más comunes de energía útil en la sociedad actual son la electricidad y el calor. Por una parte, la electricidad está generada por combustibles, viento, mareas. El calor es generado por la electricidad, por los combustibles o directamente por el sol.
La mayoría de las energía provienen, de una u otra manera, del sol. Veamos:

• Energía eólica: El viento se origina por cambios en la densidad del aire debido a su calentamiento por acción del sol.
• Energía Hidráulica: El ciclo hidrológico, que es al fin y al cabo el generador de la energía hidráulico es movido por energía solar
• Combustible: Los combustibles fósiles no son más que restos de vegetales fosilizados. Estos vegetales se habían formado debido a la reacción de fotosíntesis, que es endotérmica y necesita de la energía del sol para poderse llevar a cabo

Clasificación de la energía según su procedencia

Según este criterio la energía se clasifica en primaria y secundaria.
Energía primaria: Es la que está presente en las formas habituales (carbón, petróleo, uranio,..) antes de su conversión para uso final. Es pues la energía fósil, nuclear, hidráulica,…
El resto de las energía primarias no son significativamente importantes desde el punto de vista industrial y de su rentabilidad y rendimiento
Energía Secundaria: Es aquella que proviene de la transformación de una fuente de energía primaria. Las fuentes de energía secundaria son

• Los combustibles sólidos y líquidos
• Gas natural
• Electricidad

Para poder comparar los diferentes tipos de energía para una planificación energética adecuada, por ejemplo, se han definido dos `unidades´: el TEC (Tonelada equivalente de carbón) y el TEP (Tonelada equivalente de petróleo)
Los balances de energía se realizan sobre energía primarias

Combustibles

El combustible es toda aquella sustancia que sea capaz de arder. Por lo tanto se debe de poder combinar con el oxígeno de manera rápida. Además, en el transcurso de la reacción, se va a desprender una gran cantidad de calor.
Por otra parte, el combustible industrial es toda aquella sustancia capaz de arder, siempre que en esa reacción no sea necesario realizar un proceso complicado y caro, y que además el combustible no sirva para algo más rentable o noble.
Estos combustibles se caracterizan por ser mezclas o combinaciones de pocos elementos, en general. La mayor parte de un combustible industrial lo constituyen los elementos combustibles, es decir, carbono, hidrógeno y azufre. El resto son considerados impurezas. Las impurezas siempre originan problemas tecnológicos, y por lo tanto económicos.

Características de un combustible industrial

Las características de un combustible, y en particular las de un industrial, son las que nos van a determinar la posibilidad de utilizar esa sustancia en un momento determinado. Como se puede uno imaginar, una de las propiedades que más interesa de un combustible es su poder calorífico.
Poder Calorífico: Cantidad de calor generado al quemar una unidad de masa del material considerado como combustible. El poder calorífico está relacionado con la naturaleza del producto. Existen varias unidades para esta propiedad:

Kcal/Kg Kcal/m³ Kcal/mol Kcal/l

En los combustibles sólido se emplea el Kcal/Kg ó Kcal/mol
En los combustibles líquidos se emplea el Kcal/mol ó Kcal/l
En los combustibles gaseosos se emplea el Kcal/m³ ó Kcal/mol
Existen dos clases de poder calorífico: el Poder Calorífico Inferior (PCI) y el Poder Calorífico Superior (PCS)
PCS: Es el poder calorífico total. Es la cantidad de calor desprendidad en la combustión de un Kg de combustible cuando se incluye el calor de condensación del agua que se desprende en la combustión
PCI: Es el poder calorífico neto. Es el calor desprendido en la combustión de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión no condensa.
Cuando el combustible no tiene H, entonces no es posible la formación de agua y esto implicará que PCS=PCI
Es posible determinar el poder calorífico a partir de la composición de la sustancia, en concreto, a partir del porcentaje en agua e hidrógeno, mediante la siguiente fórmula:
PCI=PCS-(6a+54H)
siendo
a: % H₂O en el combustible
H: % H₂ en el combustible
Ambos tantos por ciento expresados en peso
Para determinar el poder calorífico de una sustancia se puede hacer directamente o teóricamente:

1. DIRECTAMENTE: Por medio del calorímetro y ayudados de una comba calorimétrica, teniendo en cuanta además que el calor cedido va a ser igual al calor absorbido.
2. TEÓRICAMENTE: Aplicando la ley HESS (calores de reacción en una reacción química). Un proceso de combustión no es más que una reacción química:

Q_react = ΔH_react − ΔH_productos

Poder Calorífico

La ley de Hess dice que se pueden usar ecuaciones más sencillas que se puedan combinar posteriormente linealmente para dar la ecuación final con el fin de calcular de una manera más fácil los calores de reacción. Este procedimiento sirve para combustibles sencillos para los que se conoce la composición
Continuamos ahora con otras propiedades de los combustibles:
Temperatura de Combustión: La temperatura de combustión va a aumentar con el poder calorífico y con la cantidad de residuos y productos que se generen en la combustión.
Residuos de Combustión: Es lo que no arde en un combustible. Son de dos clases, según la fase en la cual se encuentren:

• Gaseosos: Están en el seno de los humos o gases que se desprenden de los combustibles
• Sólidos: Cenizas o escorias

La combustión se realiza normalmente en la fase gaseosa.
Las cenizas o escorias de un combustible está formado por la parte orgánica de un combustible. Son perjudiciales tanto por su naturaleza como por su cantidad.

• Por su naturaleza: Porque pueden atacar el hogar o caldera o porque pueden contaminar el producto de cocción
• Por su cantidad: Entorpece el desarrollo normal de la combustión. Hay que limpiar con más frecuencia el hogar y hay que pagar además por eliminar y transportar las escorias.

Clasificación de los combustibles

Los combustibles se pueden clasificar según su origen, grado de preparación, estado de agregación.

Origen:

• Fósiles: Proceden de la fermentación de los seres vivos
• No fósiles: El resto

Grado de Preparación:

• Naturales: Se utilizan tal y como aparecen en su origen
• Elaborados: Antes de ser consumidos se someten a determinados procesos de transformación

Estado de Agregación:

• Sólidos: Se encuentran en tal estado en la naturaleza o una vez transformados. Por ejemplo, la madera, el carbón..
• Líquidos: Cualquier líquido que pueda ser usado como combustible y que pueda ser vertido y bombeado
• Gaseosos: Se encuentran en estado gaseoso. Se incluye el gas natural y todas sus variedades. También el gas de carbón, de petróleo, de altos hornos, gas ciudad y diversas mezclas.